algoritmo de substituição de páginas 3p : acrescentando adaptatividade ao clock

Algoritmo de Substituição de Páginas Algoritmo de Substituição de Páginas 3P3P::Acrescentando Adaptatividade ao ClockAcrescentando Adaptatividade ao Clock

Hugo Henrique CassettariEdson Toshimi Midorikawa

EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São PauloPCS - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais

Objetivo

Apresentar o 3P:

Um algoritmo adaptativo para substituição de páginas plenamente online, que procura aliar a eficiência de implementação do algoritmo Clock à eficiência de

substituição do algoritmo LRU-WAR

II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

Apresentação

• Algoritmos de substituição de páginas

Algoritmos adaptativos Algoritmo LRU-WAR Soluções online

• Algoritmo 3P

Esquema operacional Pontos de substituição Custo de implementação Avaliação de desempenho


Memória Virtual com Paginação

Problema da Substituição: Qual

página deve ser retirada da memória

principal?

Algoritmo de Substituição de Páginas


Memória Principal

Área de Swap (Disco)

Algoritmos Adaptativos de Substituição

• Adaptam seu comportamento em uma execução

• Atuam de acordo com as características de acesso à memória detectadas

• Exemplos: SEQ (1997) EELRU – Early Eviction LRU (1999) DEAR – DEtection-based Adaptive Replacement (1999) AFC – Application/File-level Characterization (2000) UBM – Unified Buffer Management (2000) LRFU – Least Recently/Frequently Used (2001) LIRS – Low Inter-reference Recency Set (2002) ARC – Adaptive Replacement Cache (2003)


Algoritmo LRU-WAR (Working Area Restriction)

• “LRU com Confinamento da Área de Trabalho” (2004 – I WSO)

• Procura detectar padrões de acesso seqüenciais- Muitas faltas de página e baixa reutilização

• Área de trabalho:


Posições onde páginas foram acessadas desde a última falta de página

W1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Fila LRU representando a memória principal

Área de Trabalho (Working Area )

Página MRU Página LRU

...

Algoritmo LRU-WAR (Working Area Restriction)

• Utiliza LRU ou MRU-n

• Diferencia reuso imediato de localidade temporal


Tendência Original (LRU) Maior que L LRU MTendência Seqüencial Menor ou igual a L LRU MOperação Seqüencial Menor ou igual a L e estável MRU-n W+1

Tamanho da Área de Trabalho

ALGORITMO LRU-WAR

Estado de execução Critério de Substituição

Ponto de Substituição (Posição na Fila LRU)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Fila LRU M = 20

Região Protegida

L

Região Seqüencial Região LRU

Soluções Online

• Algoritmo Clock, ou Algoritmo do Relógio (1969)

• Algumas variações:- GClock – Generalized Clock (1978)- WSClock (1981)- Two-Handed Clock (1982)


C Ponteiro CLOCK

C1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

...

Fila circular representando a memória principal

Propostas Adaptativas Online

• CAR – Clock with Adaptive Replacement (2004) Versão aproximada do algoritmo ARC, inspirado no 2Q Páginas recentemente reutilizadas são isoladas das demais

• CART – CAR with Temporal filtering (2004) Variação do algoritmo CAR Bit adicional para identificar páginas com reutilização constante

• Clock-Pro (2005) Versão aproximada do algoritmo LIRS Diferencia páginas “quentes” e “frias” através de bits adicionais


Algoritmo 3P

• “3 Ponteiros” – 3 Pointers

• Inspirado nos algoritmos Clock (implementação) e LRU-WAR (detecção de acessos seqüenciais)


C Ponteiro CLOCK ÁREA JOVEM = 7 posições

A Ponteiro ANTECIPADO

0 Ponteiro APAGADOR

A 0 C1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

neste exemplo

...


Algoritmo 3P

• Utiliza três ponteiros que se movimentam em conjunto- CLOCK: Ponteiro para substituição Clock (pseudo-LRU)- ANTECIPADO: Ponteiro para substituição precoce (pseudo-MRU)- APAGADOR: Ponteiro para apagar bits de acesso (filtro de reuso imediato)




0 Ponteiro APAGADOR

A 0 C1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

neste exemplo

...


Algoritmo 3P

• “Área Jovem”- Contém páginas recém-carregadas em período de teste de reutilização (não necessariamente)- Somente páginas não referenciadas em tal período podem ser substituídas pelo ponteiro ANTECIPADO




0 Ponteiro APAGADOR

A 0 C1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

neste exemplo

...


Algoritmo 3P

• Três estados de execução, como o LRU-WAR




0 Ponteiro APAGADOR

A 0 C1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

neste exemplo

...


Operação Seqüencial Zerado MRU-n ANTECIPADOTendência Seqüencial Diminui LRU CLOCK

Tendência Original (LRU) Aumenta LRU CLOCK (após movimento)Fora de Operação Seqüencial e C BIT = 1

A BIT = 0 e A BIT_JOVEM = 1 e PC = 0Fora de Operação Seqüencial e C BIT = 0

ALGORITMO 3P

Estado de execução Condições(A = ANTECIPADO, C = CLOCK,

PC = Período de Carência)Período de Carência

Critério Teórico de Substituição

Ponto de Substituição (Ponteiro)

Algoritmo 3P

• Custo de implementação extremamente baixo- Complexidade computacional de substituição equivalente à do Clock, variando de uma ordem O(1) a uma ordem O(n)- Menor custo de implementação dentre todos os algoritmos adaptativos para substituição de páginas conhecidos




0 Ponteiro APAGADOR

A 0 C1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

neste exemplo

...


Avaliação de Desempenho

• 1041 simulações realizadas com 16 programas


Clock CAR CART 3P LRU-WAREspresso 10, 11, 12, ..., 73, 74, 75 1 66 114,98% 114,14% 102,99% 80,60% 66,88%GCC 10, 15, 20, ..., 445, 450, 455 5 90 86,06% 86,00% 84,74% 82,13% 79,26%Gnuplot 100, 200, 300, ..., 7500, 7600, 7700 100 77 65,72% 65,75% 60,87% 0,71% 0,47%Grobner 10, 11, 12, ..., 63, 64, 65 1 56 139,20% 139,34% 118,21% 108,06% 125,40%GS 10, 15, 20, ..., 545, 550, 555 5 110 66,15% 72,45% 66,21% 59,33% 55,75%Lindsay 10, 15, 20, ..., 510, 515, 520 5 103 44,05% 45,02% 51,07% 32,80% 32,80%P2C 10, 15, 20, ..., 120, 125, 130 5 25 148,63% 148,18% 136,32% 130,71% 136,50%2_Pools 100, 200, 300, ..., 9700, 9800, 9900 100 99 58,79% 57,95% 58,04% 58,81% 59,00%CPP 50, 100, 150, ..., 1100, 1150, 1200 50 24 15,40% 7,40% 7,05% 13,89% 12,27%CS 50, 100, 150, ..., 1300, 1350, 1400 50 28 100,06% 98,64% 99,26% 10,44% 3,92%GLI 50, 100, 150, ..., 2400, 2450, 2500 50 50 35,12% 28,08% 26,94% 8,00% 6,72%Multi1 50, 100, 150, ..., 2500, 2550, 2600 50 52 53,46% 38,12% 38,40% 17,91% 42,10%Multi2 100, 200, 300, ..., 5400, 5500, 5600 100 56 37,55% 24,66% 19,94% 18,39% 34,79%Multi3 100, 200, 300, ..., 7200, 7300, 7400 100 74 35,65% 27,53% 22,22% 22,62% 34,01%PS 50, 100, 150, ..., 2950, 3000, 3050 50 61 33,20% 28,42% 22,96% 9,42% 1,54%Sprite 100, 200, 300, ..., 6800, 6900, 7000 100 70 18,67% 23,68% 26,27% 25,13% 21,36%

1041 65,79% 62,84% 58,84% 42,43% 44,55%

ArquivoTamanhos de

Memória Simulados

Aumento percentual médio no número de faltas de página em relação ao caso ótimo

Intervalo entre

Tamanhos

Número de

Simulações


• Melhores e piores resultados médios (algoritmos online)



1041 65,79% 62,84% 58,84% 42,43% 44,55%

ArquivoTamanhos de

Memória Simulados

Intervalo entre

Tamanhos

Número de

Simulações



• Diferenças de desempenho mais significativas



1041 65,79% 62,84% 58,84% 42,43% 44,55%

ArquivoTamanhos de

Memória Simulados

Intervalo entre

Tamanhos

Número de

Simulações


Gráficos de Desempenho (3P versus Clock)

• Melhor desempenho médio obtido com o 3P: CS


Diferenças Percentuais de Desempenho - CS

-80,00%

-70,00%

-60,00%

-50,00%

-40,00%

-30,00%

-20,00%

-10,00%

0,00%

10,00%

50 150

250

350

450

550

650

750

850

950

1050

1150

1250

1350

Tamanho da memória

Dife

renç

a %

(fal

tas

de p

ágin

a)

Clock

3P


• Melhor desempenho médio obtido com o 3P: CS



• Pior desempenho médio obtido com o 3P: Sprite


Diferenças Percentuais de Desempenho - SPRITE

-5,00%

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

1300

1600

1900

2200

2500

2800

3100

3400

3700

4000

4300

4600

4900

5200

5500

5800

6100

6400

6700

7000

Tamanho da memória

Dife

renç

a %

(fal

tas

de p

ágin

a)

Clock

3P


• Pior desempenho médio obtido com o 3P: Sprite



• Exemplo de caso médio: Grobner


Diferenças Percentuais de Desempenho - GROBNER

-45,00%

-40,00%

-35,00%

-30,00%

-25,00%

-20,00%

-15,00%

-10,00%

-5,00%

0,00%

5,00%

10,00%

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

Tamanho da memória

Dife

renç

a %

(fal

tas

de p

ágin

a)

Clock

3P


• Exemplo de caso médio: Grobner


Resultados Importantes

• O desempenho do 3P foi igual ou superior ao do Clock em 844 simulações (81,1% do total)

• O desempenho do 3P foi significativamente melhor que o do Clock – acima de 10% – em 356 simulações (34,2%)

• O desempenho do 3P foi significativamente pior que o do Clock – abaixo de 10% – em apenas 16 simulações (1,5%)


Conclusão

• Algoritmo 3P Alternativa simples e viável Muito eficiente quando acessos seqüenciais predominam Picos negativos aceitáveis Custo de implementação extremamente baixo

• Trabalhos futuros- Implementação prática do algoritmo em um sistema operacional- Adaptação para outros tipos de memória cache

• Agradecimentos Scott Kaplan e Yannis Smaragdakis Song Jiang


Contato

• Hugo Henrique Cassettari: [email protected]• Edson Toshimi Midorikawa: [email protected]

• ESCOLA POLITÉCNICA DA USPDepartamento de Engenharia de Computação e Sistemas DigitaisLaboratório de Arquitetura e Computação de Alto DesempenhoAv. Prof. Luciano Gualberto, travessa 3, 158, Cidade UniversitáriaCEP: 05508-900, São Paulo-SPwww.lasb.pcs.poli.usp.br


algoritmo de substituição de páginas 3p : acrescentando adaptatividade ao clock

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